La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion de vapeur Julien LAMOME Directeur de thèse : G. Berthoud (CEA/INPG) Encadrant IRSN : R.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion de vapeur Julien LAMOME Directeur de thèse : G. Berthoud (CEA/INPG) Encadrant IRSN : R."— Transcription de la présentation:

1 Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion de vapeur Julien LAMOME Directeur de thèse : G. Berthoud (CEA/INPG) Encadrant IRSN : R. Meignen

2 PLAN Introduction (explosion de vapeur, motivation, travaux précédents) Travail réalisé (1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanismes de fragmentation 4- Extrapolation) Conclusion

3 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 3 Explosion de vapeur — Généralités « Explosion de vapeur » : vaporisation rapide lors de la mise en contact d’un liquide chaud avec un liquide froid volatil Un phénomène, plusieurs origines : Domaine Liquide chaud Liquide froid VulcanologiemagmaEau/glace Industrie pétrolièreEauGPL Métallurgie (principalement aluminium) Métal en fusion Eau Nucléaire (ce qui nous intéresse ici) Corium (UO 2 + structure) Eau Introduction

4 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 4 Accidents envisageables : Suite à une explosion de vapeur, le confinement d’un réacteur nucléaire peut être menacé Prévoir les contraintes mécaniques engendrées par l’explosion  Point principal des recherches  Avancement : utilisation de logiciels multi dimensions Connaître les conditions propices au déclenchement  Absence de modèle  Mécanismes incertains Motivation de l’étude Introduction Interaction hors cuve Interaction en cuve

5 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 5 Expériences d’explosion On verse plusieurs kilogrammes (de 1 à 100) d’un matériaux à haute température (1000 K à 3300 K) dans une cuve contenant de l’eau Observations : L’explosion n’est pas systématique Les conditions initiales peuvent influencer cette explosion (Température de l’eau, pression …) Un explosif peut déclencher l’explosion de vapeur (perturbation) eau Liquide chaud Explosif (facultatif) Introduction

6 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 6 Phases de l’explosion État initial: grosses gouttes de combustible liquide entourées de vapeur, éparpillées dans le réfrigérant (~1 cm) Initiation Initiation : une perturbation fragmente finement une partie du mélange (~100 µm) Propagation/Escalade : la partie fragmentée génère une surpression qui va fragmenter les gouttes voisines. Cette propagation amplifie la pression reçue, les gouttes voisines se fragmentent plus finement Propagation type détonation : la propagation se fait par un choc, la fragmentation est continue État initial FragmentationDébris+eau+vapeur choc P Introduction

7 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 7 Problématique Explosion Refroidissement Mélange initial Introduction perturbation

8 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 8 Restriction de l’étude Mécanisme de fragmentation thermique (faibles perturbations, We<12) Nous cherchons à savoir dans quelles conditions une explosion peut être initiée Nous nous intéressons pour cela aux rôles :  De la pression ambiante  De la forme et de l’amplitude de la perturbation  De la température de l’eau et du combustible  Du taux de vide La fragmentation d’au moins une goutte initie l’explosion  Nous nous intéressons à la fragmentation thermique d’une goutte Introduction

9 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 9 Observations expérimentales Une faible perturbation de pression (quelques bars) peut fragmenter la goutte finement Phénomène isotrope Variation de l’épaisseur du film de vapeur (-> bulle) Rayon X -> croissance de pic à la surface de la goutte I explosion  f( I perturbation) P t  P~5 bars  t~20 µs Perturbation type Introduction

10 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 10 Modélisations précédentes Avec des modèles très variés, chaque auteur peut retrouver les résultats expérimentaux pour une expérience particulière I. Darbord (1997) Kim & Corradini (1985) Ciccarelli & Frost (1992) E. Leclerc (2000) A. Giri (KTH, 2005) Modèle Giri :  Quels mécanismes choisir ? Introduction

11 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 11 Analyse des modélisations précédentes Tous les modèles retrouvent les bulles sur des expériences particulières Retrouver les bulles ne valide pas le mécanisme Chaînage important des mécanismes, rendant l’interprétation délicate EN CONSÉQUENCE Recentrer sur ce qui nous intéresse : explosion ou non Utiliser un modèle plus simple à interpréter Trouver un critère d’explosion Introduction

12 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 12 État initial : Une goutte entourée de vapeur Une onde de pression entraîne la contraction du film Imperfections → contacts entre liquides Pressurisation locale → croissance pic et fragmentation Mécanisme ressortant des précédents modèles Introduction

13 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 13 Déductions Le choix du mécanisme de fragmentation de la goutte une fois le contact réalisé ne semble pas primordial Nous considérerons alors que l’étape du modèle qui détermine si il y a une explosion ou non est l’obtention d’un contact entre l’eau et la goutte Contact ? explosion ouinon Introduction Hypothèse :

14 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 14 Approche globale / Validations expérimentales Carte d’explosion de Nelson et Duda Domaine explosif Seuil fonction P ambiante Explosion phénomène binaire Perturbation seuil Puissance de l’explosion ne dépend pas de la perturbation Objectifs : 1- Expliquer ce graphe 2- Extrapoler aux conditions réacteurs Carte d’explosion de Nelson et Duda (eau/acier (2000K)) 22  Combustible Vap Liquide Introduction

15 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 15 22  Combustible Vapeur Liquide Étapes de l’analyse Évolution du film de vapeur soumis à une perturbation en pression Épaisseur minimale donne l’ordre de grandeur des imperfections/instabilités Analyse des instabilités de l’interface eau/vapeur Mécanisme augmentant les imperfections initiales par IRT Mécanismes de pressurisation et de déstabilisation de la goutte Justifie l’hypothèse de simple contact Extrapolation à des conditions initiales différentes Introduction

16 Quel est le rôle de la dynamique du film de vapeur ? À quel point le film s’amincit-il lors de sa compression ? Introduction 1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanisme de fragmentation 4- Extrapolation Conclusion

17 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 17 Détail de l’expérience Données : Pression au capteur Distances entre capteur, goutte, perturbation Volume de la goutte Résultats : Zone d’explosion retardée Seuil d’explosion en fonction de la pression maximale au capteur  On ne cherche pas a avoir précisément les seuils Configuration des tests à basses pressions Configuration des tests à hautes pressions perturbation goutte Capteur de pression Zone d’explosion retardée (incertitude) 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur P capteur  P goutte

18 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 18 Le film de vapeur Hypothèses : - Géométrie sphérique (phénomène isotrope) - Réfrigérant liquide faiblement compressible Lois d’évolution: Dynamique du film fonction de la pression de la vapeur Pression dans la vapeur à partir du bilan de masse à l’interface eau/vap et des transferts thermiques Modélisation du mouvement du film 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

19 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 19 1 er cycle 2 ème cycle Résultat Observation de l’épaisseur minimale en chaque point Iso épaisseur -> variation monotone Ceci implique une très forte dépendance au mécanisme d’instabilité 30 µm 25 µm 20 µm 1 cycle 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

20 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 20 Deuxième cycle Il apparaît que l’épaisseur minimale peut être atteinte lors du deuxième cycle de compression du film (vrai pour une certaine partie de la carte) L’oscillation du film plus proche de la durée de la perturbation Dans le domaine étudié, il n’est pas apparut de mini au 3 ème cycle Épaisseur du film à 5 bars 1 er cycle 2 ème cycle Épaisseur du film à 1 bars P t  P~5 bars  t~20 µs 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

21 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 21 Résultat au deuxième cycle Les lignes d’iso épaisseurs minimales présentent des variations similaires aux variations expérimentales Une ligne d’iso épaisseur minimale entre 25 et 30 µm est proche du résultat expérimental 30 µm 25 µm 20 µm 2 cycles 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

22 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 22 Sous refroidissement constant Observation de tendances proches de l’expérience avec des valeurs de 30 µm 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur Épaisseur minimale [m] Pression déclencheur [Pa] Pression ambiante [Pa]

23 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 23 Carte en fonction de la température de l’eau Obtention du seuil de décrochement Valeurs d’épaisseur minimale proche des résultats précédents 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur À 2 bars, 35 à 40 µm Épaisseur min [m] Pression déclencheur [Pa] À 5 bars, 30 µm Pression déclencheur [Pa] Épaisseur min [m]

24 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 24 Température de la goutte variable Expérimentalement, les auteurs ne notent pas de dépendance des résultats vis à vis de la température de la goutte entre 2000 et 2800 K L’épaisseur initiale peut être inférieur au critère ! Pression du déclencheur [Pa] Température de la goutte [K] 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur Épaisseur min [m]

25 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 25 Conclusion sur la dynamique de film Certaines lignes d’iso-épaisseurs minimales autour de 20 à 30 µm correspondent bien aux seuils expérimentaux d’explosion Il n’y a pas de valeur bien déterminée Ces résultats ne sont obtenus qu’en considérant que le contact peut avoir lieu jusqu’au deuxième cycle La relation a des limites (par exemple pour la température du combustible) => La dynamique de film permet de comprendre, mais pas de déterminer si il y a explosion 1- Rôle de la dynamique du film de vapeur

26 Quel est le rôle des instabilités de Rayleigh Taylor ? Introduction 1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanisme de fragmentation 4- Extrapolation Conclusion

27 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 27 Instabilité de Rayleigh Taylor m/s² s La variation d’épaisseur induit une accélération de l’interface ->IRT Croissance des imperfections avec accélération > 0 Modélisation avec accélération variable, prenant en compte la phase « stabilisatrice » Illustration des IRT, déformation de  a > 0 eau vapeur ~100 µm Phase stabilisatrice Phase déstabilisatrice 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

28 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 28 Modélisation Géométrie plane (longueurs d’onde << rayon goutte) Fluides incompressibles Effet de couplage et d’épaisseur du film négligeable (  vap<<  liq) Prise en compte de la phase d’accélération négative (négligée avant) La phase stabilisatrice modifiant le spectre de manière complexe, il faut prendre en compte un grand nombre de longueur d’onde 22 Vapeur Liquide x y 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

29 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 29 Modélisations de l’explosion 2 Parties liquidevapeurcombustible  Dynamique de film 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor 11 22  R Drop Vapor Liquide x y Instabilités de Rayleigh Taylor Paramètre : instabilité initiale

30 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 30 Un cycle Pour chaque pression ambiante et pression du déclencheur, on teste si un contact se produit Un cycle -> monotone Confirme résultat sur épaisseur min => 2 cycles 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

31 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 31 Résultats Retrouve tendance Diminution Plateau Pente Incertitude à BP Rôle des instabilités : Forme : faible (mm c  ) Seuil : important Forte dépendance à la valeur initiale des instabilités Note:  0 =f(P) ? Influence de la perturbation initiale 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

32 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 32 Température de l’eau Le modèle retrouve les variations expérimentales (faible seuil, puis augmentation rapide) Mais un écart de 30 K plus chaud par rapport aux données expérimentales Explosion difficile proche de la saturation (condition réacteur) 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

33 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 33 Température du combustible Relative stabilité des seuils d’explosion, plus en accord avec les observations Les IRT permettent de s’affranchir des limites précédentes Pression du déclencheur [Pa] Température de la goutte [K] Rappel : Iso-épaisseurs 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

34 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 34 Conclusion sur le mécanisme d’instabilité Mécanisme complexe en accélération variable (alternance positive négative) Forte sensibilité de la valeur de l’instabilité initiale sur l’obtention d’un contact Il ne détermine pas les variations expérimentales dans la plupart des cas (T eau, P ambi, mais pas T comb) Confirmation de la nécessité d’avoir deux cycles 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor

35 Mécanisme de fragmentation de la goutte Du contact à la déformation de la goutte Introduction 1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanisme de fragmentation 4- Extrapolation Conclusion

36 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 36 Ordre de grandeur de la pression de contact nécessaire pour la fragmentation A partir d’un calcul type IRT Application d’une pression périodique (cas particulier du problème précédent a=0) Déformation de la goutte suffisante pour avoir fragmentation :  Obtention d’une relation pour un temps de contact bref  P.t=A Exemple : 5 bars pendant 5 µs → déformation de  A  Pa.s P modèle 3- Fragmentation de la goutte

37 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 37 Mécanismes de pressurisation locales Le choc thermique, avec contact parfait Pression suffisante Mais difficilement concevable (différence de température) Pseudo contact Proximité des liquides → forte évaporation Difficile à estimer 3- Fragmentation de la goutte Tc Tl

38 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 38 Choc thermique (méthode des caractéristiques) Classiquement Équation d’état simplifiée, or il y a de fortes variations sur cette gamme de température Conditions limites de pression et température à froid  Mécanisme non concluant Méthode des caractéristiques Maillage des différents milieux Équation d’état réaliste  Modifications importantes du comportement, notamment lors du passage en supercritique Conditions de pression et de température locales  Une pression de contact 10 fois supérieure 3- Fragmentation de la goutte Tc Tl

39 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 39 Pression par choc thermique Critère fragmentation  Pression max 9e7 Pa Temps suffisant à partir d’environ s de contact Pression en fonction du temps au contact (30 bars et Tsat) Temps de contact Longueur critère 3- Fragmentation de la goutte Tc Tl

40 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 40 Pressurisation par évaporation Modification de la condition de vitesse à l’interface, IRT double interface Terme supplémentaire dans l’équation J proportionnel à la distance => divergence du terme => « forte pression » Eau-vap Goutte-vap Condition vitesse Termes supplémentaires Expression du flux : Termes supplémentaires 3- Fragmentation de la goutte

41 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 41 Résultat Déformation conséquente => mécanisme possible Modèle pas totalement abouti, pas de carte, mais but atteint 3- Fragmentation de la goutte

42 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 42 Conclusion sur les mécanismes de fragmentation Une pression relativement faible suffit à déformer la goutte de façon à ce qu’elle se fragmente Nous avons vu 2 mécanismes capables de déformer ainsi la goutte en un temps très court Nous justifions alors l’hypothèse de contact=explosion 3- Fragmentation de la goutte

43 Extrapolation À des conditions se rapprochant du cas réacteur Introduction 1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanisme de fragmentation 4- Extrapolation Conclusion

44 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 44 Rayon de la goutte Le rayon de la goutte a une certaine influence sur le seuil d’explosion 4- Extrapolation

45 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 45 Pression ambiante plus élevée Coupure au-delà de 16 bars (test jusqu’à 50 bars) Une perturbation plus élevée génèrerait de la fragmentation hydro 4- Extrapolation

46 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 46 Influence de la fraction volumique de vapeur Fraction volumique de vapeur dans l’eau non nulle Modification de l’équation de Rayleigh (milieu ambiant plus compressible) Décalage vers les basses P à HP Seuil plus bas à basse pression Influence d’une fraction de vapeur non nulle Équation de Prosperetti 4- Extrapolation

47 CONCLUSION Introduction 1- Dynamique du film 2- Instabilité de Rayleigh Taylor 3- Mécanisme de fragmentation 4- Extrapolation Conclusion

48 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 48 Conclusion L’objectif était de cerner les conditions d’explosion, nous avons abordé le problème de la fragmentation thermique de façon originale, en se focalisant sur les 1 ers instants La principale hypothèse est que le contact entre liquides suffit à fragmenter la goutte. Les deux mécanismes étudiés en montrent la possibilité Le contact peut s’effectuer après quelques cycles. Les cartes d’explosion de N&D sont relativement bien retrouvées Les IRT semblent avoir un rôle assez faible, avec une amplification peu élevée Les effets de divers paramètres (T eau, P, vide) sur l’explosion de la goutte ont été analysés

49 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 49 Conclusion / implication des résultats Existence d’un seuil de pression ambiante au delà duquel il n’y a plus de fragmentation thermique (fragmentation hydrodynamique toujours possible) Lorsque la température de l’eau se rapproche de la saturation, la fragmentation thermique devient impossible  Cas réacteur :  En cuve, H.P. et saturation : explosion improbable  Hors cuve, B.P. et eau froide : explosion possible

50 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 50 11 22  R Combustible Vapeur x y Liquide

51 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 51 Justification expérimentale Les auteurs donnent une explosion tardive (~300 µs après perturbation) Artefact : fréquence des photos

52 Soutenance- Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion vapeur–Page 52 Sensibilité des IRT Il n’y a pas de fortes variations de l’amplification sur la carte -> pas de critère Une amplification entre 5 et 10 correspond à peu près au résultat expérimental amplification 2- Rôle des instabilités de Rayleigh Taylor


Télécharger ppt "Étude de la phase de déclenchement et d’escalade d’une explosion de vapeur Julien LAMOME Directeur de thèse : G. Berthoud (CEA/INPG) Encadrant IRSN : R."

Présentations similaires


Annonces Google